穿龍薯蕷的花序特征研究

張雨晴 高潤梅 黨裳霓 馮宇梅 楊 柳 白甜雨

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，太谷 030800）

穿龍薯蕷（）為薯蕷科（Di?oscoreaceae）薯蕷屬（）根狀莖組（Sect.Ste?nophora Uline）多年生纏繞草本植物，在我國主產(chǎn)于東北和華北地區(qū)的低山林下?，F(xiàn)代醫(yī)藥工業(yè)從薯蕷屬植物根狀莖中提取的薯蕷皂苷元（dios?genin），是合成甾體激素類藥物的重要原料。穿龍薯蕷是我國薯蕷屬中分布最廣、蘊藏量最大的一種，其薯蕷皂苷元平均含量為0.93%～2.26%，是工業(yè)化生產(chǎn)最有利用前途的種類之一。近年來，由于生境破壞和大量采挖，穿龍薯蕷野生資源正在減少，而人工栽培的皂苷含量較低，并隨著栽培代數(shù)增加，種質(zhì)不斷衰退，藥材質(zhì)量問題亟待解決，良種選育已成為保護該種野生資源和解決藥材原料供應(yīng)的首選課題。

穿龍薯蕷繁殖系統(tǒng)復(fù)雜，其花序特征具多樣性，現(xiàn)有的胚胎學(xué)、遺傳學(xué)和花序類型等方面的研究較少，關(guān)于薯蕷科的分類與系統(tǒng)演化也一直存在爭議，不利于育種工作的開展?；ㄐ蚴窃S多花按一定順序排列的花枝，在空間和時間上控制花朵的開放，可直接決定植物的繁殖成功與否。花序表型的多樣性在一定程度上反映了植物功能和進化的意義，可顯示植物間的親緣關(guān)系及其系統(tǒng)發(fā)育的演化過程，也為花序特征與環(huán)境的適應(yīng)提供線索。

鑒于此，本研究以觀察測量為主，結(jié)合石蠟制片技術(shù)，對穿龍薯蕷雌雄花序的形態(tài)特征、數(shù)量性狀及發(fā)育過程等分別進行研究，并根據(jù)現(xiàn)有研究資料對其花序類型、結(jié)構(gòu)與功能的相關(guān)性、分類學(xué)意義等方面進行探討，旨在為穿龍薯蕷的良種選育、雜交育種、種子產(chǎn)量和質(zhì)量的提高等工作提供基礎(chǔ)資料，也為揭示該種與薯蕷屬其他種的親緣關(guān)系及分類地位提供依據(jù)。

1 材料與方法

以山西省野外采挖的穿龍薯蕷根狀莖為繁殖體，引種栽培于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)站（37°25′N，112°34′E）。林業(yè)站位于山西省晉中市太谷區(qū)，屬暖溫帶大陸性氣侯，春溫高于秋溫，夏季暖熱多雨，冬季長而偏冷，年均氣溫6～19 ℃；年均降水量為250～620 mm，降雨主要集中分布在7-9月，年均濕度54.5%左右，年均日照時間2 339.9 h。

2020 年5 月至2021 年10 月，隨機選取栽培植株的雌雄花序，進行形態(tài)觀察與拍照。OLYMPUS SZ61 體式顯微鏡下觀察花序，Mshot MS60 攝像頭拍照；剔除特殊及發(fā)育不良的花序后，隨機選取70個雌花序/果序、100 個雄花序，進行花數(shù)、果數(shù)統(tǒng)計，游標卡尺（0.1 mm）測量長度；采集發(fā)育初期的雌雄花序，50%的FAA固定液（（50%乙醇）∶（冰乙酸）∶（甲醛溶液）=89∶6∶5）固定，石蠟包埋制片，KEDEE KD-3358 切片機切片，厚度8～10 μm，二甲苯脫蠟，番紅—固綠對染法染色，中性樹膠封片；OLYMPUS CX31 生物顯微鏡觀察，Mshot MS60攝像頭拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1穿龍薯蕷雌花序的發(fā)育與形態(tài)結(jié)構(gòu)

穿龍薯蕷雌花花被頂端六裂，淺黃色，具退化雄蕊（圖版Ⅰ：A），退化雄蕊具藥室（圖版Ⅰ：B），但無正常雄蕊的多層藥壁結(jié)構(gòu)，不產(chǎn)生花粉且橫截面小于正常花藥（圖版Ⅰ：B～C）；子房下位，具3室，每室胚珠2枚（圖版Ⅰ：D～E）。

穿龍薯蕷雌花花期6-8 月，果期8-10 月。雌花序平均長度為79.99 mm，最長可達200 mm 以上，最短僅有10 mm。雌花序為單生于葉腋的穗狀花序，小花向頂發(fā)育（圖版Ⅰ：F）。雌花序上平均有11.78朵小花，平均小花密度為0.14朵/mm，但每雌花序平均僅有6.78 枚果實，平均結(jié)實率為57.56%。9月之后天氣漸冷，此時雖有新雌花及雌花序產(chǎn)生，但未能開放及形成果實（圖版Ⅰ：G）。

2.2穿龍薯蕷雄花序的發(fā)育與形態(tài)結(jié)構(gòu)

穿龍薯蕷雄花花期5-10 月，平均長度為82.68 mm，最長可達300 mm以上，最短僅為11 mm左右，每花序平均58.32 朵小花，小花密度平均為0.66 朵/mm。雄花花被頂端六裂，淺綠色至淺黃色；花藥6 枚，著生于花被基部；苞片披針形，短于花被。

穿龍薯蕷的雄花序為混合花序，腋生或于側(cè)枝頂生。花序整體由基部向頂部逐漸發(fā)育為小花（圖版Ⅱ：A），為向頂發(fā)育，花序整體為無限花序；隨后各小花的苞片下分別分化出新的小花，新小花與原小花排列成“y”形（圖版Ⅱ：A～B），形成側(cè)軸，之后不斷交替地從新生的小花苞片下沿花序軸兩側(cè)分化出小花，形成小花序（圖版Ⅱ：C～G）；小花序頂花先開，向基發(fā)育，其類型為單歧聚傘花序（圖版Ⅱ：E）；小花序末端蝎尾狀卷曲（圖版Ⅱ：F）并沿花序軸排成兩列（圖版Ⅱ：G），為蝎尾狀聚傘花序。穿龍薯蕷雄花序的花序主軸（一級花序）為無限花序，側(cè)軸（二級花序）為蝎尾狀單歧聚傘花序，整體屬于混合花序，形似穗狀?；旌匣ㄐ虻陌l(fā)育大致分為3個階段。發(fā)育早期，每個側(cè)軸上僅1～2 朵小花，單歧聚傘花序形態(tài)尚不明顯，與穗狀花序十分相似（圖版Ⅱ：H）；發(fā)育中期，隨著花序不斷伸長，基部側(cè)軸形成有多朵小花的單歧聚傘花序，頂部側(cè)軸新生，仍僅1～2 朵小花（圖版Ⅱ：I～K）；發(fā)育后期，雄花序生長到一定程度后不再伸長，花序基部與頂部側(cè)軸均形成3朵以上小花組成的單歧聚傘花序（圖版Ⅱ：L～N）。一些較短花序的頂部單歧聚傘花序上具有3朵以上小花，并非新生花序（圖版Ⅱ：O）。

圖版Ⅰ穿龍薯蕷雌花與雌花序A.雌花（箭頭示退化花藥）；B.雌花橫切面（箭頭示退化花藥，具有藥室但無藥壁多層結(jié)構(gòu)，且不產(chǎn)生花粉）；C.花藥橫切面，藥壁具多層結(jié)構(gòu)且產(chǎn)生花粉；D.子房橫切面（示3 子房室）；E.子房縱切面（示每子房室中2 胚珠）；F.雌花序縱切面，小花向頂發(fā)育；G.果序，頂部新生小花不開放Plate Ⅰ The female flowers and inflorescences of D.nipponicaA.The female flower，arrow shows the vestigial anther；B.Female flower cross section，arrow shows the vestigial anther，has pollen sac but does not multilayer structure of anthers and produce pollen；C.Male flower cross section，the anthers is multilayered and pollens are produced；D.Ova‐ry cross section，showing three ovary chambers；E.Ovary longitudinally section，two ovules per loculus；F.Female inflorescence longitudinally section，flowers develop sequentially from base to top；G.The infructescence，the top flower will not open

此外，存在一些圓錐狀的雄花序（圖版Ⅲ：A）。這些圓錐狀花序基部存在一些遠大于苞片的退化葉片（圖版Ⅲ：A～B），其基部花序與腋生花序形態(tài)相同，為混合花序（圖版Ⅲ：A～B）；圓錐狀花序的側(cè)軸自基部至頂逐漸短縮，直至頂部形成混合花序（圖版Ⅲ：A～C），有些圓錐狀花序主軸還有明顯的纏繞性（圖版Ⅲ：D），與具有頂生花序的側(cè)枝生長發(fā)育形態(tài)一致（圖版Ⅲ：E～G）。此外，早期圓錐狀花序由基部向頂部不斷發(fā)育形成花序而并非小花，并伴有葉片形成（圖版Ⅲ：H），所以這些圓錐狀花序?qū)嶋H為葉片退化的側(cè)枝。

3 討論

3.1穿龍薯蕷花序的形態(tài)特征及功能意義

花序是指許多花按一定順序排列的花枝，大多數(shù)被子植物的花序分為無限花序和有限花序兩大類。但仍有部分花序類型介于二者之間，同一花序上同時存在有限與無限2種花序類型，因此它們被稱為“混合花序”（mixed inflorescence）。混合花序的概念最早于1949 年由Bailey 定義，2019 年正式收錄于第2 版《植物學(xué)名詞》。1985年版《中國植物志》描述穿龍薯蕷的雄花序為“腋生的穗狀花序，基部常由2～4 朵集成小傘狀，至花序頂端常為單花；……”。2000 年《Flora of Chi?na》將穿龍薯蕷雄花序特征補充為：“穗狀花序單生，雄花序基部由2～7 朵小花形成小聚傘花序（cy?mule）或小傘形花序（umbellule），偶有小聚傘花序膨大到形成側(cè)枝，花序上部小花單生，無?；蛴卸袒ü?；……”?，F(xiàn)今大多數(shù)資料仍引用1985年版《中國植物志》的描述。然而穗狀花序應(yīng)為不分枝的無限花序，與穿龍薯蕷雄花序特征不符，也并未提到花序頂生現(xiàn)象；“傘形花序”為無限花序，本研究對雄花序進行了大量解剖，但并未發(fā)現(xiàn)此類型；“花序上部小花單生”描述的可能是發(fā)育中期的雄花序（圖版Ⅱ：I）。在穿龍薯蕷雄花序發(fā)育中期，在基部已經(jīng)形成具有多朵小花的單歧聚傘花序，頂部的單歧聚傘花序頂花還未開放，苞片下新的小花并不明顯，呈現(xiàn)為單生花的狀態(tài)（圖版Ⅱ：J～K）；底部的單歧聚傘花序可能由于小花數(shù)較少，花序軸不明顯；另因蝎尾狀卷曲，形似簇生或傘形狀（圖版Ⅱ：J）。

圖版Ⅱ 穿龍薯蕷雄花序與蝎尾狀聚傘花序A.雄花序縱切面，小花向頂發(fā)育，箭頭示小花苞片下正在分化出新的小花；B.圖A 中小花的放大，小花苞片下正在分化出新的小花；C.雄小花及苞片下新產(chǎn)生的小花；D.具有3朵小花的蝎尾狀聚傘花序；E.蝎尾狀聚傘花序，小花自苞片下交替產(chǎn)生；F.蝎尾狀聚傘花序，側(cè)面蝎尾狀卷曲；G.蝎尾狀聚傘花序，正面小花排列在花序軸兩側(cè)；H.發(fā)育早期雄花序；I.發(fā)育中期雄花序；J.圖I中花序底部的放大；K.圖I中花序頂部的放大；L.發(fā)育后期雄花序；M.圖L中花序頂部的放大；N.圖L中花序底部的放大；O.較短雄花序Plate Ⅱ The male inflorescences and cincinnus of D.nipponicaA.Male inflorescence longitudinally section，flowers develop sequentially from base to top，the arrows show new florets differentiating under bracts；B.A magnification of the flowers in Fig.A，new florets differentiating under bracts；C.Male florets and newly formed florets under bracts；D.Cincinnus with three flowers；E.Flowers grow alternately beneath bracts in cincinnus；F.Cincinnus laterally scorpioid curled；G.The presence of cincinnus，flowers arrange on either side of the inflorescence axis；H.Early male inflorescences；I.Medium-term male inflorescences；J.A mag‐nification of the bottom of inflorescence in Fig.I；K.A magnification of the top of inflorescence in Fig.I；L.Latter male inflorescences；M.A mag‐nification of the top of inflorescence in Fig.L；N.A magnification of the bottom of inflorescence in Fig.L；O.Shorter male inflorescencew

單歧聚傘花序（monochasium）是指分枝從苞片腋內(nèi)生出且每級分枝只有1 個的聚傘花序。這一概念最早在1875 年由Eichler 提出，目前認為單歧聚傘花序有螺狀聚傘花序（bostryx/helicoid cyme）、蝎 尾 狀 聚 傘 花 序（cincinnus/scorpioid cyme）、扇狀聚傘花序（fan/rhipidium）和鐮狀聚傘花序（drepanium）4 種類型。2015 年，閆瑞亞等對單歧聚傘花序的類型及劃分進行了研究綜述，穿龍薯蕷雄花序上的側(cè)軸小花序與其描述的蝎尾狀聚傘花序特征一致，即分枝在軸的兩側(cè)交替發(fā)生，排成兩列，花序末端蝎尾狀卷曲。除腋生花序外，穿龍薯蕷雄花序還于側(cè)枝頂生；另有部分花序呈圓錐狀，圓錐狀花序與側(cè)枝生長發(fā)育狀態(tài)一致，所以這些圓錐狀花序?qū)嶋H是由多個花序聚在一起而成的花枝，即葉片退化的側(cè)枝（圖版Ⅲ：A～D）。此外，由于側(cè)枝頂端分生組織逐漸由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L，葉片退化，枝條逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄐ?，最后形成頂生花序，與側(cè)枝腋生花序共同組成圓錐狀花序（圖版Ⅲ：A～D）。

圖版Ⅲ 穿龍薯蕷雄花序的多樣性A.圓錐狀的雄花序；B.圖A 中花序底部的放大，箭頭示退化葉片；C.圖A 中花序頂部的放大；D.具有纏繞性的圓錐狀雄花序；E.側(cè)枝頂生花序；F.圖E中花序頂部的放大；G.側(cè)枝中部短縮的雄花序；H.早期圓錐狀雄花序縱切面Plate Ⅲ Diversity of male inflorescences in D.nipponicaA.Male inflorescences resembling panicle；B.A magnification of the bottom of inflorescence in Fig.A，arrows show the degraded leaves；C.A magnification of the top of inflorescence in Fig.A；D.Male inflorescences resembling panicle and twining；E.Terminal inflorescence on lateral branches；F.A magnification of the top of inflorescence in Fig.E；G.Male inflorescence of lateral branches midsection short；H.Early male inflo‐rescences resembling panicle longitudinally section

花是植物器官中進化水平最高、構(gòu)造最為復(fù)雜的生殖器官，在植物延續(xù)后代過程中起著關(guān)鍵的作用。花序作為功能單位，其結(jié)構(gòu)在很大程度上受到自然選擇的影響。穿龍薯蕷雄花序是側(cè)軸為蝎尾狀單歧聚傘花序的無限花序，即混合花序，使得雄花序上花的密度和數(shù)量遠高于雌花。另外，雄花序的平均長度大于雌花序，雄花整體花期也比雌花長約2個月，這些特征皆有利于植物傳粉。穿龍薯蕷野生狀態(tài)下，常生于林下，纏繞于喬木或灌木上，光照不足。雄株兼具頂生花序和腋生花序，較之單純的腋生或頂生花序，生殖功能的整體分布更均勻，也更適應(yīng)林下環(huán)境，利于進行異花授粉。此外，無限花序的植物可根據(jù)氣候調(diào)整花的數(shù)量，更能適應(yīng)干旱半干旱氣候。

3.2穿龍薯蕷花序特征的分類學(xué)意義

自20世紀初，人們對薯蕷科植物從形態(tài)學(xué)、孢粉學(xué)、基因組學(xué)等多方面進行研究，發(fā)現(xiàn)其雖為單子葉植物，但具有雙子葉植物的許多特征，關(guān)于薯蕷科的分類地位，科內(nèi)、屬內(nèi)分組及是否與雙子葉植物相聯(lián)系一直是植物系統(tǒng)學(xué)上爭論的問題。在早先常用的恩格勒分類系統(tǒng)中，薯蕷科位于百合目之下；1998 年發(fā)布的APG 系統(tǒng)將薯蕷科從百合目中分離出來，單獨列為薯蕷目。2003 年發(fā)布的APG Ⅱ系統(tǒng)將薯蕷目調(diào)整合并為薯蕷科、水玉簪科（Burmanniaceae）和納茜菜科（又稱沼金花科）（Nartheciaceae）3科，薯蕷科內(nèi)下分蒟蒻薯屬（）、多子薯蕷屬（）、絲柄花屬（）及薯蕷屬4 屬；2016 年發(fā)布的APG Ⅳ系統(tǒng)暫時沿用此分類，但仍考慮將蒟蒻薯屬和水玉杯屬獨立為蒟蒻薯科（Taccaceae）及肉質(zhì)腐生科（Thismiaceae）。薯蕷屬內(nèi)的分組也存在頗多爭議，我國薯蕷屬植物分為5～8 組，本研究以《中國植物志》的6 組分法作為參考。分組雖有爭議，但普遍認為穿龍薯蕷所在的根狀莖組為薯蕷屬中演化最原始的一組。

花序是物種描述的重要表型性狀，在分類學(xué)研究和系統(tǒng)發(fā)育研究中起著重要的作用。目前，主流觀點認為被子植物最原始的花序類型是具葉的聚傘花序，可簡化為單花或演化為無限花序；其中一種無限花序的起源途徑為：通過頂生花的初期抑制形成過渡狀態(tài)的聚傘圓錐花序（thyrse/thyrsus），隨之每個側(cè)軸的花簡化到一朵，形成總狀花序。聚傘圓錐花序是混合花序中最為常見的類型，其主軸為無限花序，側(cè)軸為有限花序，外觀與圓錐花序高度相似，如丁香屬（）植物、玄參屬（）植物等。

2008 年，Remizowa 等對薯蕷目納茜菜科植物花發(fā)育進行解剖學(xué)研究，認為該科植物花序類型為總狀花序。2021年，Nuraliev 等對薯蕷目肉質(zhì)腐生科（初版APG 系統(tǒng)，后歸為薯蕷目水玉簪科）水玉杯屬植物的開花特征進行了研究，認為該屬幾種植物的花序類型為單歧聚傘花序。而薯蕷科內(nèi)植物花序類型多樣，蒟蒻薯屬、多子薯蕷屬植物被認為擁有與石蒜科植物相似的聚傘花序，絲柄花屬植物多單生或為聚傘花序。就薯蕷屬植物的花序特征而言，雌花序為腋生的穗狀或總狀花序，基本無爭議，雄花序卻具多樣性：《中國植物志》描述其為穗狀、總狀或圓錐花序；《Flora of China》補充氈毛薯蕷（）、云南薯蕷（）等的雄花序為聚傘圓錐花序，馬腸薯蕷（）、纖細薯蕷（）等的花序基部具有小聚傘花序。在周生翅組（Sect.）內(nèi)，圓錐狀雄花序是區(qū)分日本薯蕷（）及其他幾種的重要特征。2010 年，Remizowa 等利用掃描電子顯微鏡對根狀莖組的山萆薢（）花序發(fā)育進行研究，認為山萆薢雄花序是側(cè)軸為蝎尾狀單歧聚傘花序的無限花序，這與穿龍薯蕷雄花序特征相似。因此，穿龍薯蕷、山萆薢等植物的雄花序特征為有限花序向無限花序演化的中間狀態(tài)，證明薯蕷屬植物花序很可能發(fā)生于此途徑，薯蕷目3 科及薯蕷科4屬植物的花序特征也與此相符。

植物為了獲得更高頻的遠系雜交能力和最大程度的選擇優(yōu)勢，由雌雄同花祖先經(jīng)歷至少100次的獨立進化形成單性花。在一些物種中，單性花在發(fā)育初期是兩性的，后來隨著雄蕊或雌蕊停止發(fā)育變成了單性花，因此存在沒有功能的退化器官，同一科不同植物之間也存在器官停止發(fā)育階段的差異。吳寶成等認為，薯蕷科內(nèi)除薯蕷屬外的其他3 屬均為兩性花，而薯蕷屬內(nèi)，演化程度較高的基生翅組（Sect. Opsophyton）的黃獨（），其雌花雖具雄蕊，但雄蕊退化成半透明的桿狀突起；較原始物種的退化雄蕊形態(tài)上接近正常雄蕊，如根狀莖組的馬腸薯蕷、盾葉薯蕷（）等雌花中的退化雄蕊具有完整的花絲、花藥和花粉，且花粉具有一定萌發(fā)率；而穿龍薯蕷雌花的退化雄蕊具有花粉囊，但結(jié)構(gòu)不完整，且不產(chǎn)生花粉，證明其在薯蕷屬中處于較為原始的過渡地位。

閆瑞亞等指出目前國內(nèi)一些教材和植物志等對聚傘花序類型及其概念存在混淆和較為模糊的表述?！吨袊参镏尽芳啊禙lora of China》對粘山藥（）、柔毛薯蕷（）、氈毛薯蕷等的雄花序描述為“雄花數(shù)朵組成小聚傘花序，再排列成穗狀花序”，并未具體描述聚傘花序的類型，亦將雄花序描述為穗狀花序?！吨袊参镏尽芳啊禙lora of China》描述復(fù)葉組（Sect.Lasiophyton）、根狀莖組、周生翅組、基生翅組等均存在部分雄花序呈圓錐狀，這些圓錐狀的花序是否也是葉片退化的側(cè)枝，以及是否存在頂生花序有待進一步明確。此外，山萆薢雄花有1.7 mm 左右的花梗，因此雄花序被描述為圓錐聚傘花序，但穿龍薯蕷雄花普遍無?；蚺加卸坦?，不能被稱作圓錐聚傘花序，故本文僅描述其為混合花序。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，穿龍薯蕷雌雄花序的形態(tài)及數(shù)量特征能更好保證傳粉的成功率，增強對環(huán)境的適應(yīng)性；穿龍薯蕷及其親緣植物花序類型與有限花序向無限花序演化過程相符，具原始性；雄花序特征與現(xiàn)有資料的描述不盡相同，且無法以現(xiàn)有花序名詞準確定義，本文僅較為粗略地稱其為混合花序。自然界中的花序式樣實際上遠多于人類已知的類型，需不斷研究并更正。因此，繼續(xù)深入研究并明確薯蕷科植物的花序類型和花序特征，不僅有利于栽培與繁殖工作的進行，更有助于其分類地位的研究、科內(nèi)與屬內(nèi)的分組演化、親緣關(guān)系的探討及植物花序類型的劃分。